供水管网调控技术的研讨
作 者：何维华;李伟;陈宇敏;符达;(成都市自来水总公司)
摘 要：供水管网是供水系统的重要组成部分，本文以成都水司供水管网为例，就运行动态进行深入分析，提出管网调控的理由、目标、方法、措施等相关建议。
对于多水源的供水系统，通常都设有调度中心，对各水厂、加压泵站的机泵运行进行统一协调。调度的主要依据是管网相关控制点的水压值、水厂及加压站的水库水位等；调度的对象是各水厂出水泵站、管网加压泵站的机泵启闭及高位水库出水流量的调节；调度的目标是确保管网各控制点合理水压值及供水系统连续、安全运行的前提下，追求最低的供水成本。对于供水管网本身，除了抢爆、维修，调度中心不对管网中的控制阀门的启闭发布调度令的。本文研讨的主题恰是要求管网模型维护部门对管网技改及运行方案，作出规划及实施计划；调度中心对供水管网的输、配水管道的运行状况进行调控管理；管网维护部门落实好相关调度令。
1.供水管网的运行现状
一座城市的供水管网是经历了数十年乃至数百年的变迁，从小到大，不断技改、不断扩展，达到如今的规模。如像成都市自来水总公司的供水管网历经了六十年的变迁，至2004年年底，现有DN≥15mm的管道达2933.58km，其中DN≥75mm的管道达1694.94km(注1)，供水能力达138万m3/d。它是重力流与泵压流相协调的供水系统，其中重力流供水能力达72.5％。
供水管网(2004年年底)的规格组成情况详见表1；供水管网(2004年年底)的管材组成情况详见表2；结合管网的运行模型，约占DN≥75mm管道总长度53.04％的管网动态运行状况分析详见表3。
表1
序号 管径(mm) 占总量％ 序号 管径(mm) 占总量％
1 15 3.30 15 500 0.93
2 20 1.66 16 600 6.20
3 25 15.70 17 700 0.12
4 40 10.44 18 800 2.54
5 50 11.13 19 900 0.05
6 75 0.33 20 1000 2.03
7 100 10.81 21 1200 0.66
8 150 3.64 22 1400 0.75
9 200 6.37 23 1600 3.29
10 250 0.62 24 1800 1.24
11 300 14.98 25 2000 0.06
12 350 0.08 26 2200 0.07
13 400 2.03 27 2400 0.96
14 450 0.01 28 合计 100.00
表2
序号 管材类别 占总量％ 序号 管材类别 占总量％
1 铸铁管 18.30 6 PCCP 0.36
2 球铁管 19.10 7 UPVC 7.86
3 钢管 6.37 8 PE 6.27
4 石棉水泥管 0.03 9 镀锌管 31.22
5 自应力管 2.74 10
6 预应力管 7.75 11 合计 100.00
表3
管内壁状况 流速范围(m/s) 最大供水时的管道比率(％)(注2) 最小供水时的管道比率(％)(注3)
无内衬 ＜0.1 21.07 45.25
0.1~0.3 45.37 48.70
0.3~0.7 25.50 4.96
＞0.7 8.06 1.09
有内衬 ＜0.1 26.36 42.24
0.1~0.3 30.61 33.29
0.3~0.7 27.99 13.59
＞0.7 15.04 10.88
从表1可见，整个管网装满的水达67.74万m3，相当于49.1%的一天供水能力；整个管网的内表面积达272.04万m2。从表3可见，有良好内衬的管道，流速<0.7m/s的占84.96~89.12 ％；尚无内衬的管道，流速<0.7m/s的占91.94~98.91％。
水从水厂经管网流至用户端的水龄线如图1所示。
图1
该图反映了2005年9月14日的水龄线，线条粗表示水龄长的，最大水龄达37.8h，最大水龄管段为东风路东四段DN1000mm配水干管上，当日供水量为114万m3/d。东风路东四段有两条干管，DN1400mm干管系二环路至塔子山水库加压站的输水干管，DN1000mm干管系二环路至沙河堡地区的配水干管，近年三环路DN1800mm环状管建成后，由于它穿越沙河堡地区，向该区域供水，因此该DN1000mm管实质上变成了连通管，管段流速极小，导致成为最大水龄管段。此图主要是环管上的水龄，在滞留的小区管线，估计到达用户的水龄要大得多，将超过此值数倍。
由于图幅所限，三环路外的管线未标注，水六厂在图的西北方向，离三环路20多km，未能标出。
国内外的供水企业为了改善用户终端的供出水的水质，保障用户用水水质的安全；尽量减缓流速变幅，减少水流流向变化次数，避免相对负荷陡增，不扰动管内的沉积；管网的冲洗排水及主阀门的启闭，力求在亱间实施。换言之，对管网的流态管理是被动的、安抚的静态管理模式。
成都市的供水系统是重力流为主的供水模式，由于地势高差的条件，供水管道的流速不高，特别是配水管、用户支管中，低流速管段偏多，这对满足用户服务水头的均压配水是有利的，在管网服务的较大区域内均能满足6～7楼用水。但是管网中流速过低的管段，就是水泥砂浆内衬的管道，亦会存在自然沉淀物，沉淀物容易长时间的累积，一旦流速徒增将影响管网水质，因此妥善解决这些矛盾，正是本文探讨的主因。
通过对成都管网的具体分析，有利于编制管网技改规划、实施计划、管网运行调控的具体计划…。为了节省篇幅，没有对成都供水管网的具体情况详尽说明，以下仅浓缩地阐述了管网调控的理由、目标、方法及措施的思路。
2.供水管网的调控管理理由
由上述管网运行现状而言，从水压均衡、节点服务水头基本符合需求方面评述尚好，这也是传统的供水系统运行调度的主要目标。但是从管网中对老朽管段的特殊照料、对水滞留…问题过去重视是不够的，给管网优化运行及管网水质的改善带来不少麻烦，因此主动对管网的运行状态进行分析、主动调控管理是必要的。
3.供水管网的调控管理目标
根据不同条件拟定相应措施，提高管网的安全运行，减小漏失率，减少管网内的水滞留问题，合理增设补充加氯点，改善管网水压、水质，优化运行成本，更好地提高对用水户的服务质量。
4.供水管网的调控管理步骤
4.1摸清管网的具体状况
通过GIS系统的开发，建立好管网的运行模型，具体分析各管段的管材结构、故障率，深入研究不同季节管网动态运行状况，建立各管段的技术参数(管径、长度、内衬状况)及24小时流速、余氯、浊度的变化数据。
4.2管段状况排序
4.2.1排序规则
(1)易爆管段、严重漏水管段、被建筑物压埋管段的查核
易爆管段、严重漏水管段、被建筑物压埋管段，是管网中存在安全隐患的重点管段，应列为重点技改计划及拟定临时安抚对策，它们将是管网运行管理的关注重点。
(2)管网余氯合格率的核查
普查管网余氯递减数据，结合管网水龄线，优化水厂出水的余氯值，合理添设管网中的补氯措施，提高管网远端的余氯合格率。
(3)管段存在结垢、沉淀的查核
A.管段的内衬状况，是否有腐蚀结垢的条件分类；
B.无腐蚀结垢的管段，管段24小时中有若干小时流速达到一定值时，(如有4小时流速≥0.5m/s时)，为不易沉淀的管段，否则为容易沉淀的管段；
C.有腐蚀结垢的管段，关键在于技术改造，未改造前管段24小时中有若干小时流速达到一定值时，(如有4小时流速≥0.7m/s时)，为影响较重的管段，否则为影响严重的管段。
4.2.2排序要点
(1)从大到小，排序分析
一个管网系统相当复杂，管网的调控的原则，首先从水厂出厂输水管道、管网中规格大的管段向规格小的管段排序分析，拟定措施。
(2)筛选管段，问题排序
一个管网由成百上千个管段组成，排除不易影响安全、水质的管段，有问题的管段按性质、程度排序。性质系指易爆、常漏、压埋、锈蚀结垢、沉积…；程度系指一般、较重、严重；一个管段问题的性质可以是单一的，也可以是多重的。
4.3对策的措施
4.3.1易爆管段的对策
(1)根本措施
由于易爆管道有管材结构或管道基础上的缺陷，易爆管段的根本措施是‘退役下岗’或更换新管。
A.若是通过模型运算，该易爆管段停止运行对目前及以后管网的运行没有影响，该管段上又没有用户支管或少量支管可以调整接至其它配水管上时，则关闭管段两端的控制阀门，放空管段的余水，将管段‘退役下岗’，是最佳的处理措施。
B.若是随同道路的改扩工程，将易爆管段拆除更换规划需求的新管，是通常采用的措施。
C.若易爆管道没有管道基础上的缺陷，易爆管段又难以开挖更换，管段口径适当缩小仍没有影响时，采取内套聚乙烯‘管中管’，是当前经常采用的措施。
D.针对易爆管段采取内衬水泥砂浆、内反粘贴纤维树脂软管，在短期内有修复管道的功能，但不能彻底改变管材的结构或改善管道的基础，因此采用应三思。
(2)临时措施
易爆管段的改造费用一时难以筹集，强化对易爆管段的管理是行之有效的措施。这些措施包括：
A.适当关小易爆管段相关的控制阀门，降低管段的工作压力；
B.加强对易爆管段的巡线检查频率，发现异常状况及时处理，减少次生灾害；
C.加强对易爆管段相邻阀门启闭的管理，减缓对易爆管段的水锤波及。
4.3.2易漏管段
(1)易漏管段的确认
通过管网运行中巡线、检漏、测流、测压的数据以及抢爆、维修记录的综合分析，确认易漏管段的成因，以便采用相应的措施。
(2)处理措施
A.钢管(包括小口径镀锌钢管)的腐蚀穿孔，个别点维修堵漏，否则应以更换管道为主；
B.大口径预应力混凝土管接口串漏及管体渗漏的问题，在成都水司水六厂第一、二输水管线的前2～3km管段，由于管材质量等原因，接口串漏及管体渗漏现象比较集中，建议采取以下处理措施：
(A)管道内间隙内清除杂物，填嵌双组份聚硫密封膏，填充方法按标准JC625-1996执行，它的技术性能满足以下要求：
密度 1.6±0.1g/cm3；适用期 2~6h；最大拉伸强度≥0.8MPa；定伸恢复率≥90%；
表干时间 ≤24h；最大伸长率 ≥300%；低温柔化 ―30℃。
(B)管内壁喷衬高强纤维微膨胀混凝土或水泥砂浆(厚10~20mm)。
4.3.3压埋管段
供水管道是承压的管道，不允许压埋在建筑物及构筑物(如立交桥的挡土墙)基础内，存在隐患，管道渗漏或爆破容易引发严重的次生灾害。作为管网的管理部门应主动查找档案资料，分清原因，提出措施进行处理，并向主管部门书面报告。通常后建的建筑物、构筑物承担责任，拆除违章建筑或改迁管道。
4.3.4瓶颈管段
因供水规模的增大等原因，管网中个别流速过大的瓶颈管段，应分别情况进行改造，如更换较大口径管道或临近平行道路添设管段分流…。在成都管网中，除个别管段外，在历年管网技改中基本解决了“瓶颈问题”。
4.3.5管段调整
由于管网不断的扩充，往往在街、巷内形成多条平行管道，不仅配水极不合理，占据街道多个规划位置，影响其它管线的铺设。应配合街道的改扩机遇，主动理顺输水、配水、用户支管的关系，尽量消除“盲肠”管段，将易爆、易漏、腐蚀严重的管道逐步更除。对于不能更除的‘盲肠’管段，应増设消火栓等排水设施，以强化运行管理的方法来改善管网水质。
4.3.6腐蚀结垢管段的对策
由净水厂输出的自来水不可能是纯水，它含有某些无机物及微生物，水在管网内流动时，有些水中化合物会分解，水和管内壁的材质亦会发生化学作用，水中残存的细菌还可再繁殖，加之管网受到外来的二次污染，管网水质发生变化，引起诸多问题。像成都市供水管网的总内表面积达272.04万m2，水与管材接触的机率是频繁的，当管内流速偏低时，管道形成了“巨大的沉淀池”。
水在管网流动的过程中，由于腐蚀等原因，往往形成管内腐蚀、沉淀及结垢的情况。对于没有内衬或内衬不佳的金属管道，结垢层的厚度和管道输配水的年数（管龄）有关，随着时间的延续，管道有效截面积的缩小，直接影响管道的输配水能力。这些结垢层又是细菌孳生的场所，形成“生物膜”，国内学者称“生长环”，直接威胁着水质的安全。形成管内结垢层的原因，归纳起来有以下五个方面：
（1）水对金属管道内壁腐蚀形成的结垢；
（2）水中碳酸钙（镁）沉淀形成的水垢；
（3）水中含铁量过高所引起的管道堵塞；
（4）管道内的生物性堵塞；
（5）水中悬浮物沉淀。
以上五个方面有些往往又同时发生，形成不同形态的结垢与沉淀。如环向瘤状沉积物、底部连续沉积物、底部与环向瘤状混合沉积物、不均匀连续沉积物、均匀环向沉积物、底部瘤状沉积物。
如成都水司的管网，十年前铺设的连铸管、钢管，基本上没有水泥砂浆内衬，镀锌钢管锈蚀严重，腐蚀结垢的状况是存在的，这对管网水质的影响是严重的，可考虑以下改造措施：
(1)中、大口径钢管在刮管除垢后以内衬水泥砂浆为主要技改措施，实际上在DN1600、600mm的钢管内均进行过这一技改；
(2)DN≥300mm没有水泥砂浆内衬的连铸管，由于是易爆管材，不倾向作水泥砂浆内衬，亦不倾向作反转内粘贴纤维树脂软管。这些易爆管段应以更换作了水泥砂浆内衬的球墨铸铁管为主，若管径允许减小，在刮管除垢后以‘管中管’的方式内套铺聚乙烯等给水管材是可行的方案。
(3)DN＜300mm没有水泥砂浆内衬的连铸管，若系B级管材并不易爆，可机械刮管或喷砂除垢后作卫生级环氧树脂喷涂，喷涂厚度达0.4mm。
(4)DN≤63mm的镀锌钢管(包括水表内的室内管道)若材质尚可，通常亦以喷砂除锈，喷涂卫生级环氧树脂为常见方案，喷涂总厚度达0.3mm以上；否则应更换薄壁不锈钢管、聚乙烯管…。近5年新安装的用水户支管均采用了UPVC管、PE管等，使30％的小口径管的材质得到改善。
(5)倘若以上措施暂未实施前，只有加快管段的冲洗频率，确保管道水质不会恶化。通常一天中有若干小时流速达一定值时，确定冲洗频率(如4小时管道流速≥0.7m/s时，每年冲洗一次；管道流速≤0.5m/s时，每月冲洗1~2次)。
4.3.7管段冲洗的相关措施
管道“洗澡”是清洁管道的有效措施，管道冲洗是要耗用一定的水资源。从这个角度考虑，采取其他措施改善管网水质是重点，尽量减少管道冲洗耗水是方向，但是为了改善管网水质，必要的周期管道冲洗耗水是不应省的，条件许可时带气水冲洗措施可节省水耗。
(1)中、大口径管段的冲洗，务必将多个管段串联起，利用河渠旁的冲排阀门，向河渠直接排放。
(2)中、小口径管段的冲洗，利用管段内的消火栓，将水排放至雨水口内，直至排出水的浊度符合饮用水水质标准的要求。
(3)镀锌钢管的用户支管的冲洗，系拆开水表，以软管接至雨水口排放。
成都水司近50年来，一直坚持专门班组对市政消火栓巡回冲排，排水的周期为一个月；管段沉积严重的管段，消火栓的排水周期为半个月。排出的水以软管接至雨水口或雨水管道的检查井，建议软管上附有计量水表。50年来成都水司消火栓的巡回冲排始终没有终断过，一方面通过排水检验了消火栓的质量，确保消火栓在火警时能发挥作用；另一方面排除了消火栓前支管内的‘滞留水’以及配水管内的沉积，对改善管网水质有益。
4.3.8长期水不流动的管段处理
通过不同季节连续检测表明管段内水流速度≤0.1m/s时，表明管段内的水长期滞留，必然管内水质趋于恶化，此类问题多半出现在连通管上。针对此类问题的处理措施如下：
(1)倘若连通管两端管道的流速偏快，可周期性的调整相关阀门的开启度，使连通管的流速周期性波动，减少沉淀物长期间的累积。
(2)倘若连通管两端管道的流速偏慢，连通管两端控制阀门应关闭(若关闭不严，应及时检修)，连通管上的用水户调整到其它配水管上供水，连通管内余水排空，让连通管暂时‘退役下岗’，当然这一决策务必在连续多季节检测的基础上，经反复论证后实施。若多年后情况有变，连通管务必通过消毒、冲洗后方能‘上岗服役’。
4.3.9配水管水滞留的问题
总体而言，输水管、配水干管的流速≥0.7m/s占多数，但配水管流速偏低的情况较多，其原因如下：
(1)街区规划尚未形成；
(2)总的规划方案改变，如曾经用水量占全市40-60％的东郊工厂区整体外迁，导致该区域用水量逐年递减；
(3)预留的配水管口径偏大。
对于配水管口径偏大的管段，若管道材质欠佳，应改铺口径恰当的优质管材或采用‘管中管’方式铺设较小口径管道；否则低流速管道应强化冲洗措施，确保供水水质。今后在配水管、配水支管的设计计算时，既要核算配水干管水压与用水端服务压力的关系，亦要照顾到管道的流速较佳值。
5.组织机构
管网调控的管理有三个环节，一是管网分析、拟定措施；二是发布调控令；三是执行调控令。
5.1管网分析、拟定措施一通常属管网运行模型的维护部门的职能，是企业技术参谋部门的日常工作。
5.2发布调控令一通常属企业生产调度中心的职能。
5.3执行调控令一通常属管网运行管理部门的职能。
6.调控管理的业务内容
针对供水管网日常调控管理的业务内容有：
6.1管网运行参数(包括水压、余氯、浊度、管段流量、抢爆维修记录等)的收集、整理分析；
6.2编制管网技改规划，拟订年度、月份管网技改实施计划；
6.3编制管网调控(包括管道冲洗、消火栓排水、个别管段流速调度等)的年度、月份的实施计划；
6.4制定及落实每日管网调控调度令的管理；
6.5总结年度、月份管网技改计划的实施情况；
6.6填报每日、月份、年度管网调控的实施状况。
后记
近十年来，供水企业对供水管网的管理做了大量的工作，相对而言问题仍然不少，被动管理的现状没有彻底的改观，某些调控的界限值有待在实践中验证与变动，以上所述的观点还有待商讨，统一看法，先易后难，认识相同的先办，日益积累将会产生‘质的飞跃’。总之，为了提高对用水户的服务质量，改善管网水质的具体工作还相当繁重，我们应为此而不懈努力。
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